工程材料 第五章 铁碳合金相图及应用
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工程材料第五章 铁碳合金相图及应用
相图的应用 工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 选碳含量高的钢（大于0.60％ C）。
相图的应用
白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加 工，不能锻造。 但耐磨性好，铸造性能好，用于耐磨、不 受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、 冷轧辊、犁铧、泵体、阀门等。
相图的应用——铸造工艺方面的应用
共晶白口铸铁的铸造性能最好, 凝固温度区间最小, 流 动性好, 分散缩孔少, 精密铸件选在共晶成分附近。
铸钢零件 碳含量0.15-0.6%之间, 这个范围内钢的结晶 温度区间较小, 铸造性能较好。
相图的应用——热锻、热轧工艺方面的 应用
钢在奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 锻造 或轧制选在单相奥氏体区进行。 一般始锻温度为1150℃～1250℃, 终锻温度为 750℃～850℃。
相图的应用——在热处理工艺方面的应用
第五章 铁碳合金相图及应用
铁碳合金：以铁和碳为基本元素的合金。 钢:0.0218～2.11%C，铸铁大于2.11%C。
低碳钢:<0.25％C；中碳钢:0.25％-0.60％C；高碳钢>0.60％C。 铁与碳可以形成间隙固溶体、化合物Fe3C、Fe2C、FeC等。 铁碳相图中的组元是Fe和Fe3C。
第二节 Fe-Fe3C相图分析
一、相图中的三条水平线和三个重要点 （1）包晶转变线HJB，J为包晶点。 1495℃ ，C%=0.09-0.53% L → L+δ → A
（2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。
L→A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C） 奥氏体与渗碳体的混和物, 称莱氏体。
第一节 铁碳合金基本相
一、 铁素体 δ相 高温铁素体：δ固溶体。 α相 铁素体：α-Fe中的固溶体， “F”表示。
4.3_铁碳合金相图及应用
4．过共析钢（（0.77%～2.11%C） 过共析钢的结晶过程如图所示。 由示意图分析可知，过共析钢结晶过程的基本反应为 [匀晶反应+二次析出反应+共析反应]，室温组织为珠光体+ 二次渗碳体，显微组织如图所示。 过共析钢中Fe3CⅡ的最大相对量为：
2.11 0.77 Fe3CⅡ 100 % 22.6% 6.69 0.7
两者性能与晶粒大小、杂质含量有关
2．奥氏体 奥氏体是碳在γ-Fe中的固溶体，用符号“A”表示。高 温奥氏体的显微组织如图所示。 奥氏体的特点： ① 在1148℃时有最大溶解度2.11%C，727℃时可固溶 0.77%C； ② 其力学性能与含碳量及晶粒大小有关，一般170～ 220HBS、δ=40～50%； ③ 形变能力好，形变抗力小。
⑤ 热处理工艺性能和热处理效果。
“铁碳合金相图及应用”部分结束！ 请转入：
“钢的热处理”
3）白口铸铁（2.11～6.67％C），根据室温的不同，分为： ① 亚共晶白口铸铁 ② 共晶白口铸铁（≈4.3 ％C）
③ 过共晶白口铸铁（＞4.3％C）
2．共析钢（≈0.77％C） 共析钢的结晶过程如图a)所示。
由示意图分析可知，共析钢结晶过程的基本反应为[匀晶 反应+共析反应]，室温组织为珠光体显微组织。 P中F和Fe3C的相对量：
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
1．铁碳合金相图上的各种合金，一般分为三类： 1）工业纯铁（＜0.02% C ），室温组织为α固溶体； 2）钢（0.02～2.11％C）， 根据室温组织不同，分为： ① 亚共析钢（＜0.77％C ） ② 共析钢（≈0.77％C） ③ 过共析钢（＞0.77％C）
1．铁碳合金的含碳量对组织的影响 2．含碳量对热轧状态钢的力学性能的影响
《工程材料》第五章 铁碳合金相图
2. 根据铁碳合金成分、组织、性能之间 的变化规律 , 确定选定材料的工作范 围。
二.制定热加工工艺方面的应用
第六节 铁碳合金的生产及分类
钢铁的冶炼。 钢锭的组织、质量及缺陷。 碳素钢的分类、编号及用途。
一.钢铁的冶炼
铸铁锭
生产铸铁件
高炉 炼铁
炼钢生铁
转炉 平炉 电炉
生产钢件
平炉炼钢
转炉炼钢
亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
过共析钢 ( hypereutectoid steel )
共晶白口铁 ( eutectoid white iron )
亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )
过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
4.3%C
6.69%C Fe3C
Fe - Fe3C 相图
二. Fe - Fe3C 相图的分析
五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 三个重要转变: 包晶转变反应式、共晶
转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
工程材料 机械制造基础 -Ⅰ
第五章 铁碳合金相图
第五章 铁碳合金相图 ( Iron – Carbon Phase Diagram )
Fe – C 相图的基础知识。 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结
构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的
共晶白口铁组织金相图
6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )
亚共晶白口铁组织金相图
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )
二.制定热加工工艺方面的应用
第六节 铁碳合金的生产及分类
钢铁的冶炼。 钢锭的组织、质量及缺陷。 碳素钢的分类、编号及用途。
一.钢铁的冶炼
铸铁锭
生产铸铁件
高炉 炼铁
炼钢生铁
转炉 平炉 电炉
生产钢件
平炉炼钢
转炉炼钢
亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
过共析钢 ( hypereutectoid steel )
共晶白口铁 ( eutectoid white iron )
亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )
过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
4.3%C
6.69%C Fe3C
Fe - Fe3C 相图
二. Fe - Fe3C 相图的分析
五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 三个重要转变: 包晶转变反应式、共晶
转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
工程材料 机械制造基础 -Ⅰ
第五章 铁碳合金相图
第五章 铁碳合金相图 ( Iron – Carbon Phase Diagram )
Fe – C 相图的基础知识。 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结
构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的
共晶白口铁组织金相图
6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )
亚共晶白口铁组织金相图
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )
材料科学基础-第五章 铁碳相图
思考题：
为什么C在γ
中的溶解能力
高于α？
什么是α、γ？
影响间隙固溶体溶解度的因素？ γ：FCC，八面体间隙大小0.414 α：BCC，八面体间隙大小0.155
3. Fe-Fe3C相图分析
相图分解为三个部分 包晶转变部分 共晶转变部分 共析转变部分
Fe-Fe3C相图
际情况时，切记相图只给出体 系在平衡条件下存在的相和相对量，并不能表达出相 的形状、大小和分布（这些只取决于相的本性及形成 条件）；相图只表示平衡状态的情况，而实际生产条 件下很难达到平衡状态，因此要特别重视它们的非平 衡条件下可能出现的相和组织。 (6) 相图的正确与否可用相律来判断。
（2）相图中的相区
Fe-Fe3C相图
3. Fe-Fe3C相图分析
（3）相图中的线
特性线： 由不同成分合金具有 相同意义的点连接起 来的 A. 三条水平恒温转变线 B. 二条磁性转变线 C. 三条重要的相界线
Fe-Fe3C相图
（3）相图中的线
A. 三条水平恒温转变线
Fe-Fe3C相图
①HJB--包晶转变线： L0.53+δ0.09 或 LB+δH
• 共晶白口铸铁Wc=4.30% • 亚共晶白口铸铁Wc=2.11~4.30% • 过共晶白口铸铁Wc=4.30~6.69%
Fe-Fe3C 相图应掌握的内容
1.按比例默画出Fe-Fe3C 相图，说明
特性点的符号、成分、温度及意义 2.特征温度 A0、A1、A2、A3、Acm的
意义
3.填相区，并回答： 铁素体、奥氏体、渗碳体的结构、性 质、表示法，为什么A 溶碳能力高于 F？ 4.Fe-Fe3C 相图的三个恒温转变式、 转变产物及性能。
第五章 铁碳合金相图及应用
铁碳合金基本相铁碳相图重要点线区分析铁碳合金分类工业纯铁亚共析钢共析钢过共析钢凝固结晶分析合金成分与组织性能关系及应用第一节p72铁碳合金相图是制定热加工热处理冶炼和铸造等工艺依据
第五章 铁碳合金相图及应用4学时
铁碳合金基本相→铁碳相图重要点、线、区分析→铁碳合金 分类→工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢凝固结晶分析→ 合金成分与组织性能关系及应用
3.分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体的异同之处。
答：相同点：都是渗碳体，晶体结构、成分、性能相同。 不同点：一次渗碳体从液相析出，二次渗碳体从奥氏体析出，三次渗碳体从铁素体析出，共晶渗碳体共晶反应
时形成，共析渗碳体共析反应时形成。
7.根据铁碳相图解释下列现象:1)进行热轧和锻造时,通常将钢材加热到1000-1250℃；2)钢铆钉一般用低碳钢制造； 3)绑扎物件铁丝一般为镀锌低碳钢丝,而起重机吊重物时用钢丝绳用含碳0.60%、0.65%、0.70%的钢等制成；4)在 1100℃时，Wc=0.4%的碳钢能进行锻造，而Wc=4%的铸铁不能进行锻造；5)室温下Wc=0.8%的碳钢比Wc=1.2% 的碳钢强度高；6)亚共析钢适于压力加工成形，而铸铁适于铸造成形。
渗碳体Fe3C:含碳6.69%,是硬而脆的间隙相，硬度为950-1050Hv，塑性和韧
性几乎为零。
思考题：什么是铁素体和奥氏体？铁素体和奥氏体分别具有何种晶体结构？
铁碳相图分析 第二节 铁碳合金相图分析 P73 ➢重要点:共析成分点S(0.77%C)；共晶成分点C(4.3%C)。 ➢重要线:A1线(PSK),A3线(GS),Acm线(ES)。 ➢相区:单相区、两相区和三相区。 ➢渗碳体:从液相、奥氏体、铁素体中析出的一次、二次、三次渗碳体。 ➢共析反应和共晶反应:A=F+Fe3C,L=A+Fe3C。 ➢珠光体P和莱氏体Ld:共析反应形成的铁素体和渗碳体的机械混合 物；共晶反应形成的A与Fe3C的机械混合物。
第五章 铁碳合金相图及应用4学时
铁碳合金基本相→铁碳相图重要点、线、区分析→铁碳合金 分类→工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢凝固结晶分析→ 合金成分与组织性能关系及应用
3.分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体的异同之处。
答：相同点：都是渗碳体，晶体结构、成分、性能相同。 不同点：一次渗碳体从液相析出，二次渗碳体从奥氏体析出，三次渗碳体从铁素体析出，共晶渗碳体共晶反应
时形成，共析渗碳体共析反应时形成。
7.根据铁碳相图解释下列现象:1)进行热轧和锻造时,通常将钢材加热到1000-1250℃；2)钢铆钉一般用低碳钢制造； 3)绑扎物件铁丝一般为镀锌低碳钢丝,而起重机吊重物时用钢丝绳用含碳0.60%、0.65%、0.70%的钢等制成；4)在 1100℃时，Wc=0.4%的碳钢能进行锻造，而Wc=4%的铸铁不能进行锻造；5)室温下Wc=0.8%的碳钢比Wc=1.2% 的碳钢强度高；6)亚共析钢适于压力加工成形，而铸铁适于铸造成形。
渗碳体Fe3C:含碳6.69%,是硬而脆的间隙相，硬度为950-1050Hv，塑性和韧
性几乎为零。
思考题：什么是铁素体和奥氏体？铁素体和奥氏体分别具有何种晶体结构？
铁碳相图分析 第二节 铁碳合金相图分析 P73 ➢重要点:共析成分点S(0.77%C)；共晶成分点C(4.3%C)。 ➢重要线:A1线(PSK),A3线(GS),Acm线(ES)。 ➢相区:单相区、两相区和三相区。 ➢渗碳体:从液相、奥氏体、铁素体中析出的一次、二次、三次渗碳体。 ➢共析反应和共晶反应:A=F+Fe3C,L=A+Fe3C。 ➢珠光体P和莱氏体Ld:共析反应形成的铁素体和渗碳体的机械混合 物；共晶反应形成的A与Fe3C的机械混合物。
第五章_铁碳相图
第五章铁碳相图定义：分析研究铁碳合金在平衡条件下合金的成分、温度、合金相之间关系的图解。
一、铁碳合金的基本组织与性能根据铁与碳组元的作用不同，铁碳合金的基本组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。
1、铁素体铁素体F：碳溶入α－Fe中形成的间隙固溶体铁素体性能：σb＝180－280MPa，δ＝30％－50％，硬度≈80HBS。
2、奥氏体奥氏体（A）：碳溶入γ－Fe中形成的间隙固溶体。
奥氏体性能：σb＝400MPa，δ＝40％－50％，硬度＝160－200HBS。
3、渗碳体渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的具有复杂晶体结构的间隙化合物。
渗碳体性能：熔点高约1227℃，硬度≈800HBW，δ≈0，脆性大。
Fe3C是钢中的强化相，它的形态、大小、数量与分布对铁碳合金性能产生非常大的影响。
4、珠光体珠光体（P）：铁素体和渗碳体组成的两相复合物。
其性能介于F和Fe3C之间即：σb＝770MPa，δ＝20％－30％，硬度≈180HBS，A KV＝24－32J。
5、莱氏体（Ld或Ld′）莱氏体：奥氏体和Fe3C组成的两相复合物。
在1148℃时称为高温莱氏体（Ld′），溶碳量为ωC＝4.3％；在727℃时，由P和Fe3C组成的两相复合物，称为低温莱氏体（Ld）。
其性能与Fe3C相似，又硬又脆。
二、铁碳合金相图在铁碳合金中，铁与碳可形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物。
而稳定的化合物可作为一个独立的组元。
因此，整个Fe－C相图可视为由Fe－Fe3C、Fe3C－Fe2C等一系列二元相图构成。
但因铁碳合金中当ωC＞5％时，性能很脆，无实用价值，故铁碳合金相图中仅研究Fe－Fe3C相图。
简化后的Fe－Fe3C相图如图5－1所示。
1、相图分析Fe －Fe 3C 相图分为上、下两部分。
二元共晶相图（前面以讲）和二元共析相图。
⑴Fe －Fe 3C 相图中的特征点 P 点：碳在F 中的最大溶解度。
G 点：Fe Fe -⇔γα－的同素异晶转变点。
机械工程材料第五章 铁碳合金
4、共晶白口铁
L
L→ Ld( A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织:Ld′ 即 P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C 室温相：α+Fe3C
5、亚共晶白口铁
L L→A L→ Ld (A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织: Ld′+P+（Fe3C）Ⅱ 即(P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C)+P+Fe3CⅡ 室温相：α+Fe3C
四、 Fe-Fe3C相图的应用
1.为选材提供成分依据
低碳钢（0.10-0.25%C）：建筑结构和容器等 中碳钢（0.25-0.60%C）：如轴等 高碳钢（0.6-1.3%C）：如工具等 白口铁：如拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等
34
2.为制定热加工工艺提供依据
（1）在铸造生产方面的应用 根据Fe-Fe3C相图可以确定铁碳合金的浇注温度， 浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。 共晶成分的铸铁凝固区间最小（为零），流动性 好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，有可 能得到致密的铸件得到较广泛的应用。
其性能特点是强度低，硬度不高，易于塑性变形。
⑸ Fe3C相（又称渗碳体）：根据其生成条件不同有条状、网状、
片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。
1600 A 1400 N 1200 1000
+L
B 0.53 J 0.17 H 0.09 1495
L
2.11 E
4.3 1148 C
+
注意：由于不保证化学成分，所以热处理时不能 依甲类钢来选材，应依乙类钢选，才能根据相图 制定热处理工艺。
《金属材料及热处理》-5.铁碳合金相图
1、二元合金相图的建立 二元合金相图是通过热分析实验法建立的。如图所示。
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
二元合金相图的建立方法
• 配制一组不同成分的合金。 • 用热分析法测定各组合金的冷却曲线。 • 找出各冷却曲线上的相变点。 • 建温度—成分坐标。 • 找成分点、画成分线。 • 标相变点。 • 将相同意义的点用一条光滑的曲线连接起来。 • 在每个分区标上相或组织名称。
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
根据以下资料建立PbSn合金的二元合金相图
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
2、二元合金相图的基本类型
Material Science
（1）包晶相图
包晶转变 一定成分的液相和一定成分的固相在恒温下转变成为另一固
相。 以Pt-Ag相图为例： LC +αD à βP
（2）匀晶相图
匀晶转变 由液相直接析出单相固溶体的过程。（Làα)
（典型：Cu-Ni相图）
（3）共晶相图
（2）共晶相图
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
(a)共晶合金
Material Science
此时所发生的反应均为共晶反应，共晶反应生成共晶体。 即：Le→(αm +βn)
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
二元合金相图的建立方法
• 配制一组不同成分的合金。 • 用热分析法测定各组合金的冷却曲线。 • 找出各冷却曲线上的相变点。 • 建温度—成分坐标。 • 找成分点、画成分线。 • 标相变点。 • 将相同意义的点用一条光滑的曲线连接起来。 • 在每个分区标上相或组织名称。
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
根据以下资料建立PbSn合金的二元合金相图
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
2、二元合金相图的基本类型
Material Science
（1）包晶相图
包晶转变 一定成分的液相和一定成分的固相在恒温下转变成为另一固
相。 以Pt-Ag相图为例： LC +αD à βP
（2）匀晶相图
匀晶转变 由液相直接析出单相固溶体的过程。（Làα)
（典型：Cu-Ni相图）
（3）共晶相图
（2）共晶相图
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
(a)共晶合金
Material Science
此时所发生的反应均为共晶反应，共晶反应生成共晶体。 即：Le→(αm +βn)
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
铁碳相图原理及应用
4. 珠光体( P )
珠光体( P ):铁素体和渗碳体的机械混合 物(F+Fe3C) ① 由一片铁素体,一片渗碳体相间呈片层 状形成 ② 其性能介于 Fe 和 Fe3C之间 ③ 由成分为0.77%的A缓冷至727℃分解 得到
5.莱氏体(ld)
莱氏体(ld):奥氏体和渗碳体的机械混合物( A+ Fe3C ) ① 由成分为 4.3% 的铁碳合金,在1148℃时从液 相结晶得到 ② 727℃ 以上的莱氏体称高温莱氏体,用ld表示 727℃ 以下的莱氏体称低温莱氏体,用 ld´表示 ③ 性能接近于渗碳体,硬度 ＞700HB,塑性很差.
1、铁素体（α-Fe）
铁素体（ F ）：C 溶在 α—Fe中的一种间隙固 溶体 ① 晶体结构：体心立方晶格 ② 溶碳能力：较小，常温下0.008%以下，在 727℃时溶碳能力达到最大0.0218%。 ③ 组织形态：多边形等轴晶粒 ④ 机械性能：与纯 Fe 性能相似，属软韧相， 强度和 硬度不高，塑性、韧性好。 ⑤ 表示方法：一般用 F 表示，也有用α—Fe、 α 、φ等
典型合金平衡结晶过程和组织
1.工业纯铁(0.01%C,合金①)
工业纯铁的平衡凝固过程及组织 组织 F+（Fe3C）III
1.工业纯铁(0.01%C,合金①)
2.共析钢(0.77%C,合金②)
共析转变 转变产物为珠光体 ,转变过程 L → L+A → A → P ( Fe3C +F )
1.2.2相图中的点、线、区及其意义
Fe-Fe3C相图中各点的成分、温度及其特性综合
第五章 铁碳合金
相图中各点分析fefec相图中的特性线特性线ac液相线液态合金冷却到该线时开始结晶出奥氏体dc液相线液态合金冷却到该线时开始结晶出一次渗碳体ae固相线奥氏体结晶终了线ecf共晶线液态合金冷却到该线时发生共晶转变es碳在奥氏体中的溶解度线常称acmgs奥氏体转变为铁素体的开始线常称agp奥氏体转变为铁素体的终了线psk共析线常称a线奥氏体冷却到该线时发生共析转变pq碳在铁素体中的溶解度线2
D相图中各相区分析 Fe–Fe3C相图中各相区的相组分见表5–3。
表5 –3 Fe–Fe3C相图各相区的相组分
相组分 L A F L+A L+ Fe3C A+F A+ Fe3C F+ Fe3C L+A+ Fe3C
相区范围 ACD线以上 AESGA GPQG AECA DCFD GSPG ESKFE PSK线以下 ECF线
碳的质量分数（%） 含 纯铁的熔点 共晶点 渗碳体的熔点 碳在奥氏体中的最大溶解度 纯铁的同素异构转变温度 碳在铁素体中的最大溶解度 共析点 碳在铁素体中的溶解度 义
A
C D E G P S Q
1538
1148 1227 1148 912 727 727 室温
0
4.3 6.69 2.11 0 0.0218 0.77 0.0008
第五章
铁碳合金
钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料，其基本组元是铁和碳两 个元素，故统称为铁碳合金。为了掌握铁碳合金成分、组织及性能之间 的关系，以便在生产中合理使用，首先必须了解铁碳相图。
第一节 铁碳合金的基本相
一、铁素体 碳溶于α –Fe中所形成的间隙固 溶体称为铁素体，用符号 F 表示。铁 素体仍然保持α –Fe的体心立方晶格。 由于体心立方晶格的晶格空隙很小， 所 以 α –Fe 的 溶 碳 能 力 很 低 ， 在 727℃时溶碳量最大，可达0.0218%。 随着温度的下降，溶碳量逐渐减小， 在600℃时约为0.0057%，室温时几乎 等于零。因此，铁素体的性能几乎和 纯铁的相同，即强度、硬度低，塑性、 韧性好（σ b=180~280MPa，50~80HBS， δ =30%~50%）。铁素体的显微组织与 纯铁相同，在显微镜下观察，呈明亮 的多边形晶粒组织，如图5–3所示。
D相图中各相区分析 Fe–Fe3C相图中各相区的相组分见表5–3。
表5 –3 Fe–Fe3C相图各相区的相组分
相组分 L A F L+A L+ Fe3C A+F A+ Fe3C F+ Fe3C L+A+ Fe3C
相区范围 ACD线以上 AESGA GPQG AECA DCFD GSPG ESKFE PSK线以下 ECF线
碳的质量分数（%） 含 纯铁的熔点 共晶点 渗碳体的熔点 碳在奥氏体中的最大溶解度 纯铁的同素异构转变温度 碳在铁素体中的最大溶解度 共析点 碳在铁素体中的溶解度 义
A
C D E G P S Q
1538
1148 1227 1148 912 727 727 室温
0
4.3 6.69 2.11 0 0.0218 0.77 0.0008
第五章
铁碳合金
钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料，其基本组元是铁和碳两 个元素，故统称为铁碳合金。为了掌握铁碳合金成分、组织及性能之间 的关系，以便在生产中合理使用，首先必须了解铁碳相图。
第一节 铁碳合金的基本相
一、铁素体 碳溶于α –Fe中所形成的间隙固 溶体称为铁素体，用符号 F 表示。铁 素体仍然保持α –Fe的体心立方晶格。 由于体心立方晶格的晶格空隙很小， 所 以 α –Fe 的 溶 碳 能 力 很 低 ， 在 727℃时溶碳量最大，可达0.0218%。 随着温度的下降，溶碳量逐渐减小， 在600℃时约为0.0057%，室温时几乎 等于零。因此，铁素体的性能几乎和 纯铁的相同，即强度、硬度低，塑性、 韧性好（σ b=180~280MPa，50~80HBS， δ =30%~50%）。铁素体的显微组织与 纯铁相同，在显微镜下观察，呈明亮 的多边形晶粒组织，如图5–3所示。
铁碳合金相图
T9(A) T10(A) 中韧性、高强度工具，如钻头、丝
T11(A)
锥、低速车刀、钢锯
T12(A) T13(A) 低韧性、高硬度、高耐磨性工具或 量具，如锉刀、刻字刀具
注意：因为碳素工具钢的抗回火能力很低（200～250℃）， 故用碳素工具钢做切削刀具时，不能用于高速切削， 否则刀具硬度将很快下降而导致失效。
三、铁碳合金的成分与性能的关系
组织决定性能，关键在Fe3C的分布、数量、形态。
室温： F
数量－－杠杆定律
Fe3C 形态、分布、大小――显微组织
P： F 基体
强而韧
Fe3C 细密层片状 ％C↑P%↑强度、硬度↑，塑性↓，韧性↓；
> 1.0%C，Fe3C呈网状分布，导致钢的强度↓，硬 度↑。
（一）铁碳合金的相组成物、组织 组成物的相对量
本、能够独立存在的物质）。 在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系 进行转变，但Fe3C实际上是一个亚稳定相， 在一定条件下可以分解为铁固溶体和石墨。 因此铁－石墨系是更稳定的状态。按照这样 情况，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和铁－石墨 的双重相图。我们着重介绍Fe-Fe3C。
2.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分 有界面分开的均匀组成部分，均称为
名称 铁素体
奥氏体
符号 F(α)
A(γ)
晶格 体心
面心
含碳量（％） 相类别
0.0008～ 0.02
2.11以下
固溶体 固溶体
δ铁素体 δ
体心 0.09以下 固溶体
渗碳体 Fe3C 金刚石型
6.69
珠光体
P 两种晶格 0.77
莱氏体
Ld 两种晶格
4.3
化合物 混合物 混合物
机械工程材料：第五章 铁碳合金相图及碳钢
Q
5K 100% PK
组织组成物的相对重量为
QP
P5 PS
100%，Q
5S PS
100%
室温下相的相对重量
百分比为：
Q6 QFe3C QL
C 0.0008 100% 6.69 0.0008
Q
6L QL
100% QFe3C
S’
室温下组织组成物的相对重量百分比为：
QP
Q6 QS '
C 0.0008 100%, 0.77 0.0008
从 Fe-FesC 相图中可知 ,铸 钢的凝固温度区间较宽 ,故流动性 差 ,化学成分不均匀 ,易形成分散 缩孔 。一般采用提高浇注温度来 改善流动性 , 这样会使高温奥氏 体晶粒粗大 ,且冷却速度又比较 快 , 迫使铁素体沿奥氏体一定晶 面以针状组织析出 , 这种组织称 为魏氏组织(如图所示) 。
同素异晶转变：固态金属随温度的变化，由一种晶体结构转变成另一种晶 体结构的过程。 具有同素异晶转变的金属：Fe、Co、Ti、Mn Sn等。
二、铁碳合金的组元和相
⒈ 组元 Fe、 Fe3C
⒉相
液相L、高温铁素体δ 、奥氏体A（ ）、 （低温）铁素体F （ ）、渗碳体Fe3C （Cm）
(1)铁素体 （符号：F） 碳在体心立方的α-Fe或δ-Fe的晶格间隙中形成的间隙固溶体。
三铁碳合金相图a1538铁的熔点c1148含碳量43共晶点d1227渗碳体的熔点e1148含碳量211碳在奥氏体中最大溶解度点s727含碳量077共析点p727含碳量00218碳在铁素体中最大溶解度点q室温含碳量00008室温时碳在铁素体中最大溶解度点1特性点g912铁的同素异构转变点2特性线ecf共晶反应线psk共析反应线符号abcd液相线es碳在奥氏体中的溶解度线符号acmpq碳在铁素体中的溶解度线gs冷却时奥氏体开始析出铁素体加热时铁素体全部溶入奥氏体的转变温度线符号fefe工业纯铁含碳量000218亚共析钢含碳量00218077共析钢含碳量077
铁碳合金相图分析及应用
第五章铁碳合金相图及应用[重点掌握]1、铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、菜氏体的结构和性能特点及显微组织形貌；2、根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程；3、铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系。
铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。
铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图,相图中的组元只有Fe和Fe3C。
第一节铁碳合金基本相一、铁素体1．δ相高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。
2．α相铁素体（用F表示）：C固溶到α-Fe中，形成α相。
F强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%,727度：C%=0.0218%）二、奥氏体γ相奥氏体（用A表示）：C固溶到γ-Fe中形成γ相）强度低，易塑性变形三、渗碳体Fe3C相（用Cem表示），是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物,渗碳体的熔点高，机械性能特点是硬而脆，塑性、韧性几乎为零。
渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。
第二节Fe-Fe3C相图分析一、相图中的点、线、面1．三条水平线和三个重要点（1）包晶转变线HJB，J为包晶点。
1495摄氏度，C%=0.09-0.53% L+δ→A（2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。
冷却到1148℃时, C点成分的L发生共晶反应：L →A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C，共晶渗碳体）共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe3C三相共存。
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号Le表示。
（3）共析转变线PSK，S点为共析点。
合金（在平衡结晶过程中冷）却到727℃时, S点成分的A发生共析反应：A →F（0.0218%C）+Fe3C（6.69%C、共析渗碳体）—P（珠光体）共析反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、Fe3C三相共存。
铁碳相图原理及应用
① 由一片铁素体,一片渗碳体相间呈片层 状形成
② 其性能介于 Fe 和 Fe3C之间 ③ 由成分为0.77%的A缓冷至727℃分解
得到
5.莱氏体(ld)
莱氏体(ld):奥氏体和渗碳体的机械混合物( A+ Fe3C )
① 由成分为 4.3% 的铁碳合金,在1148℃时从液 相结晶得到
② 727℃ 以上的莱氏体称高温莱氏体,用ld表示 727℃ 以下的莱氏体称低温莱氏体,用 ld´表示 ③ 性能接近于渗碳体,硬度 ＞700HB,塑性很差.
ES线 Acm线，C在A中溶解度曲线,当温度低于此曲线时，要从A中析出
次生渗碳体Fe3CⅡ，所以这条线又是次生渗碳体开始析出线
ECF线 物，莱共氏晶体线。，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合
PSK线 A1线(共析线)，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出
7.过共晶白口铸铁 (C%=5.0%为例,合金⑦)
7.过共晶白口铸铁 (C%=5.0%为例,合金⑦)
1.2.4按组织分区的铁碳合金相图
1.2.5碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
根据铁碳合金平衡状态图和对各种铁碳 合金平衡组织的分析可知，不同含C量的 铁碳合金室温平衡组织都是由F和Fe3C这 两个基本相组成。但含C量不同，铁碳合 金中这两相的相对数量、形状和分布情 况不同，因而各种成分的铁碳合金呈现 出不同的组织形态，从而导致它们之间 在性能上的差异。
C%=0.77%的合金为共析钢,组织为P。 0.77%＜C%＜2.11%的为过共析钢，其组
织为P＋CmII。 2.11%＜C%＜4.3%的合金为亚共晶铸铁，
组织为P＋CmII+Ld'。 C%=4.3%的合金为共晶铸铁，其组织为
② 其性能介于 Fe 和 Fe3C之间 ③ 由成分为0.77%的A缓冷至727℃分解
得到
5.莱氏体(ld)
莱氏体(ld):奥氏体和渗碳体的机械混合物( A+ Fe3C )
① 由成分为 4.3% 的铁碳合金,在1148℃时从液 相结晶得到
② 727℃ 以上的莱氏体称高温莱氏体,用ld表示 727℃ 以下的莱氏体称低温莱氏体,用 ld´表示 ③ 性能接近于渗碳体,硬度 ＞700HB,塑性很差.
ES线 Acm线，C在A中溶解度曲线,当温度低于此曲线时，要从A中析出
次生渗碳体Fe3CⅡ，所以这条线又是次生渗碳体开始析出线
ECF线 物，莱共氏晶体线。，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合
PSK线 A1线(共析线)，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出
7.过共晶白口铸铁 (C%=5.0%为例,合金⑦)
7.过共晶白口铸铁 (C%=5.0%为例,合金⑦)
1.2.4按组织分区的铁碳合金相图
1.2.5碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
根据铁碳合金平衡状态图和对各种铁碳 合金平衡组织的分析可知，不同含C量的 铁碳合金室温平衡组织都是由F和Fe3C这 两个基本相组成。但含C量不同，铁碳合 金中这两相的相对数量、形状和分布情 况不同，因而各种成分的铁碳合金呈现 出不同的组织形态，从而导致它们之间 在性能上的差异。
C%=0.77%的合金为共析钢,组织为P。 0.77%＜C%＜2.11%的为过共析钢，其组
织为P＋CmII。 2.11%＜C%＜4.3%的合金为亚共晶铸铁，
组织为P＋CmII+Ld'。 C%=4.3%的合金为共晶铸铁，其组织为
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2020/10/16
二、 在铸造工艺方面的应用
§5.4 铁碳相图的应用简介
根据Fe - Fe3C相图可以确定合金的浇注温度，浇注温度一
般在液相线以上50～100℃。 共晶合金铸造性能最好。
2020/10/16
§5.4 铁碳相图的应用简介
2020/10/16
合金的铸造性能与相图的关系
三、在热锻、热轧工艺方面的应用
2020/10/16
（一）工业纯铁结晶过程（wc = 0.01% )§5.2 铁碳合金相图分析
t (℃) 1
A
2
L
L+A
A G3
4
F A+F S
0.0218
P
0.77
5
Q
E
2.11
C
A+Fe3C 727℃
F+Fe3C
Fe
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wc(%)
简化的铁碳合金相图
F k Fe3C
纯铁
§5.2 铁碳合金相图分析
二、典型合金的平衡结晶过程§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
2020/10/16
§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
2020/10/16
300
1200
wc
对
退
1000
火
碳 200
800
钢
力
学
600
性
能 100
400
的
影
响
200
HB
2020/10/16
0b/MP
§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
第五章 铁碳合金相图及应用
§5.1 铁碳合金基本相及基本组织 §5.2 铁碳合金相图分析 §5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系 §5.4 铁碳相图的应用简介
2020/10/16
§5.1 铁碳合金基本相及基本组织
一、基本相
（1）铁素体 （2）奥氏体 （3）渗碳体
F（或α-Fe）
2020/10/16
HB
60
240
b
50
200
40
160
k
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
wc(%)
30
120
20
80
10
40
0
,
(%)k
0 /(J·cm-2)
§5.4 铁碳相图的应用简介
一、在选材方面的应用
1. 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，应选用碳含量较低的钢材。 2. 各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用碳含量适中的 中碳钢。 3. 各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，应选用碳含量高的钢种。 4. 纯铁磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心等。 5. 白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好， 铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝 模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。
P％·0.77％≈C％ F％＝1－P％
3. 过共析钢: P+Fe3CⅡ P％·0.77％+ (1－P％)·6.69％＝C％
Fe3CⅡ%＝1－P%
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§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
铁碳合金中相组成物：F+Fe3C Fe3C%·6.69%≈C% F%=1－Fe3C%
2020/10/16
§5.4 铁碳相图的应用简介
锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。
一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100 ～ 200 ℃范
围内，终锻、终轧温度不能过低。
亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上一点，过共
析钢变形终止温度应控制在PSK线以上一点，一般始锻温度
为1150 ～ 1250 ℃，终锻温度为800 ～ 850 ℃。
纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。
由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。
同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶 体结构变化的现象。
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（二）共析钢结晶过程
（ T8钢
§5.2 铁碳合金相图分析
wc = 0.77% )
A
t (℃)
G
1
L
2
L+A
A
E
2.11
CF
P
P
0.77
1
L
2 L+A
E
2.11
3
Fe3CⅡ
4
C
A+Fe3C
727℃
Fe
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wc(%)
F+Fe3C
F
k Fe3C
§5.2 铁碳合金相图分析
2020/10/16
（五）共晶白口铸铁
§5.2 铁碳合金相图分析
2020/10/16
共晶白口铁组织金相图
（六）亚共晶白口铸铁
§5.2 铁碳合金相图分析来自2020/10/16§5.4 铁碳相图的应用简介
2020/10/16
四、在热处理工艺方面的应用
§5.4 铁碳相图的应用简介
Fe - Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。 一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据 Fe - Fe3C相图确定的。
2020/10/16
§5.4 铁碳相图的应用简介
2020/10/16
3
A+F S
P 4 0.77
Fe
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L
L+A
E
2.11
C
F
A+Fe3C 727℃ k
F+Fe3C wc(%)
Fe3C
§5.2 铁碳合金相图分析
2020/10/16
（四）过共析钢结晶过程（
T12钢
§5.2 铁碳合金相图分析
wc=1.20% )
A
t (℃)
A G
A+F S
0.0218
S
727℃
0.0218 3 0.77 As→FP+Fe3C
k
F+Fe3C
Fe
wc(%) P
Fe3C
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§5.2 铁碳合金相图分析
2020/10/16
球片状状珠珠光光体体
§5.2 铁碳合金相图分析
（三）亚共析钢结晶过程（45钢 wc=0.45% )
A
1
2
t (℃)
A G
0.0218
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亚共晶白口铁组织金相图
（七）过共晶白口铸铁
§5.2 铁碳合金相图分析
2020/10/16
过共晶白口铁组织金相图
§5.2 铁碳合金相图分析
2020/10/16
用组织组成物填写的相图
§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
钢中组织组成物：
1. 共析钢 P 100％
2. 亚共析钢: P+F
A（或γ-Fe）
Cm（或Fe3C）
二、基本组织
§5.1 铁碳合金基本相及基本组织
（一）F （二）A（高温存在） （三）Fe3C
1. Fe3CⅠ 条状（白口铸铁中） 2. Fe3CⅡ 网状（过共析钢中） 3. Fe3CⅢ， 少，可忽略不计 4. P中的Fe3C 5. Ld中的Fe3C （四）P = F + Fe3C 1. 片状 2. 颗粒状
二、 在铸造工艺方面的应用
§5.4 铁碳相图的应用简介
根据Fe - Fe3C相图可以确定合金的浇注温度，浇注温度一
般在液相线以上50～100℃。 共晶合金铸造性能最好。
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§5.4 铁碳相图的应用简介
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合金的铸造性能与相图的关系
三、在热锻、热轧工艺方面的应用
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（一）工业纯铁结晶过程（wc = 0.01% )§5.2 铁碳合金相图分析
t (℃) 1
A
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L
L+A
A G3
4
F A+F S
0.0218
P
0.77
5
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2.11
C
A+Fe3C 727℃
F+Fe3C
Fe
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wc(%)
简化的铁碳合金相图
F k Fe3C
纯铁
§5.2 铁碳合金相图分析
二、典型合金的平衡结晶过程§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
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§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
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300
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碳 200
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响
200
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§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
第五章 铁碳合金相图及应用
§5.1 铁碳合金基本相及基本组织 §5.2 铁碳合金相图分析 §5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系 §5.4 铁碳相图的应用简介
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§5.1 铁碳合金基本相及基本组织
一、基本相
（1）铁素体 （2）奥氏体 （3）渗碳体
F（或α-Fe）
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HB
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0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
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0 /(J·cm-2)
§5.4 铁碳相图的应用简介
一、在选材方面的应用
1. 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，应选用碳含量较低的钢材。 2. 各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用碳含量适中的 中碳钢。 3. 各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，应选用碳含量高的钢种。 4. 纯铁磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心等。 5. 白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好， 铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝 模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。
P％·0.77％≈C％ F％＝1－P％
3. 过共析钢: P+Fe3CⅡ P％·0.77％+ (1－P％)·6.69％＝C％
Fe3CⅡ%＝1－P%
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§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
铁碳合金中相组成物：F+Fe3C Fe3C%·6.69%≈C% F%=1－Fe3C%
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§5.4 铁碳相图的应用简介
锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。
一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100 ～ 200 ℃范
围内，终锻、终轧温度不能过低。
亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上一点，过共
析钢变形终止温度应控制在PSK线以上一点，一般始锻温度
为1150 ～ 1250 ℃，终锻温度为800 ～ 850 ℃。
纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。
由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。
同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶 体结构变化的现象。
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（二）共析钢结晶过程
（ T8钢
§5.2 铁碳合金相图分析
wc = 0.77% )
A
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L
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L+A
A
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2.11
CF
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P
0.77
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2 L+A
E
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Fe3CⅡ
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Fe
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F+Fe3C
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§5.2 铁碳合金相图分析
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（五）共晶白口铸铁
§5.2 铁碳合金相图分析
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共晶白口铁组织金相图
（六）亚共晶白口铸铁
§5.2 铁碳合金相图分析来自2020/10/16§5.4 铁碳相图的应用简介
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四、在热处理工艺方面的应用
§5.4 铁碳相图的应用简介
Fe - Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。 一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据 Fe - Fe3C相图确定的。
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§5.4 铁碳相图的应用简介
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3
A+F S
P 4 0.77
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L
L+A
E
2.11
C
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A+Fe3C 727℃ k
F+Fe3C wc(%)
Fe3C
§5.2 铁碳合金相图分析
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（四）过共析钢结晶过程（
T12钢
§5.2 铁碳合金相图分析
wc=1.20% )
A
t (℃)
A G
A+F S
0.0218
S
727℃
0.0218 3 0.77 As→FP+Fe3C
k
F+Fe3C
Fe
wc(%) P
Fe3C
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§5.2 铁碳合金相图分析
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球片状状珠珠光光体体
§5.2 铁碳合金相图分析
（三）亚共析钢结晶过程（45钢 wc=0.45% )
A
1
2
t (℃)
A G
0.0218
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亚共晶白口铁组织金相图
（七）过共晶白口铸铁
§5.2 铁碳合金相图分析
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过共晶白口铁组织金相图
§5.2 铁碳合金相图分析
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用组织组成物填写的相图
§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
钢中组织组成物：
1. 共析钢 P 100％
2. 亚共析钢: P+F
A（或γ-Fe）
Cm（或Fe3C）
二、基本组织
§5.1 铁碳合金基本相及基本组织
（一）F （二）A（高温存在） （三）Fe3C
1. Fe3CⅠ 条状（白口铸铁中） 2. Fe3CⅡ 网状（过共析钢中） 3. Fe3CⅢ， 少，可忽略不计 4. P中的Fe3C 5. Ld中的Fe3C （四）P = F + Fe3C 1. 片状 2. 颗粒状